JPH077594B2

JPH077594B2 - 磁気記憶素子

Info

Publication number: JPH077594B2
Application number: JP62250528A
Authority: JP
Inventors: 靖治檜高
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH0192997A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は不揮発性の高密度固体磁気記憶素子に関する。

（従来の技術）固体磁気メモリは機械駆動部がなく、かつ不揮発性のメ
モリであるため、高い信頼性をもっている。固体磁気メ
モリを大きく分類すると、ランダムアクセス型メモリ
と、シリアルアクセス型メモリとになる。コアメモリは
前者の代表的なものであり、バブルメモリは後者の代表
的なものである。高密度記憶素子を目指すとき、ランダ
ムアクセス型は各ビット毎に検出器を備えている必要が
あるため、セルサイズを小さくしていくことに限界があ
る。他方、シリアルアクセス型は高密度化は比較的容易
であるが、高密度化に伴うアクセス時間の増加が大きな
問題になっている。さらに、バブルメモリのように情報
担体であるバブルの移動を必要とする素子では、移動に
伴い情報保持の安定性が悪くなる欠点を持っている。こ
のような状況を考えると、不揮発性固体磁気メモリとし
ては、検出器が解決されれば、ランダムアクセス型のメ
モリで高密度化を実現するのが望ましい。

まず、磁性体を用いたランダムアクセスメモリの基本動
作をその代表であるコアメモリを例にとって説明する。
コアには磁化曲線が第10図に示すように角型ヒステリシ
スを持っている磁性材料を使う。そうすると、材料はバ
イアス磁界H_Y＝０でＡ点に示す＋向き、またはＢ点に示
す−向きの残留磁化を安定化でき、双安定性を有するこ
とになる。それぞれの向きを２進数の“1"および“0"に
対応させて、記憶素子に用いることができる。

実際のデバイスでは、第11図に示すようにこの磁性体で
リングコア13を作り、コアの中に３本の導体線14,15,16
を通し、その内の２本を縦横（それぞれY-軸、X-軸と称
する）に張り、縦線、横線の交差点にコア13を置く。こ
のコアをマトリックス状に配列し、記憶素子に組み上げ
る。情報の記憶の原理は第12図に示している。リング状
コア13の磁化17の向きをリングコアの円周に沿って第12
図（ａ）に示すように右周りにしたり、（ｂ）に示す左
周りにしたりして行なう。例えば、初期状態で、すべて
のリングコアの磁化は右周り（−）になっているとす
る。指定された番地のコアの磁化の向きを反転して左周
り（＋）にする。そのためには、コアを通っているY-線
およびX-線にパルス電流を送り、コアに磁界を与える。

いま、この磁界がX-線、Y-線のどちらか一方のパルス電
流によって与えられた場合、磁化を−の状態から＋の状
態に反転するには不十分な大きさにしてある。例えば、
Y₀‐線、X₀‐線のパルス磁界が同時に加わると、両方の
線の交点にあるコアの磁化の反転は起こるが、Y₀‐線、
またはX₀‐線のみのパルス磁界が加わるコアでは磁化反
転を生じない。これがマトリックスの任意の座標に“1"
という信号を書き込む方法である。

書き込んだ情報を読み出すには、磁化を＋から−へ反転
させるようなパルスをX₀‐線、Y₀‐線に同時に加えてみ
て、読み出し線16に信号がでるかどうかをみる。もし、
信号が出たら、パルスを送った座標は“1"であったとい
うことがわかる。しかし、この方法では一度読み出す
と、すべては“0"となってしまうので、いわゆる破壊的
読み出しになってしまう。これでは困るというときは読
み出した結果を元通りにもう一度書き込んでおく必要が
ある。コアメモリはビットセルサイズが大きく高密度化
が難しいという問題点があった。

高密度記憶を実現するため、この原理を磁性薄膜に適用
した磁気記憶素子がある。磁性薄膜としては、例えば磁
歪定数λ＝０のソフト磁性材料である19％Fe-81％Niの
合金を用い、これを第13図に示すように、基板上に円盤
状に蒸着する。膜厚は1000Åの程度である。蒸着の際に
磁界を与えておくことにより、膜面内に一軸異方性をつ
けておく。いまの場合、磁化容易軸をY-軸方向とするよ
うにつけておく。

磁化の反転に際しては、容易軸に平行に磁化の向きと逆
向きの磁界H_YをX₀‐線により与えると同時に、それと直
角方向に磁界H_XをY₀‐線によって与え、磁壁移動による
磁化反転を阻止し、10nsオーダの短い時間で磁化反転で
きる磁気モーメント一斉回転モードを利用している。こ
れに対して、H_Yのみが加えられている磁性膜パターン18
では、磁壁移動による磁化反転を生じようとするが、反
転時間が長くかかるため、実際には書き込みに使ってい
る短い幅のH_Yでは反転は起こらない。つまり、X-方向の
導体線とY-方向の導体線によって同時に磁界を与えたと
きのみ、磁性膜パターン18′の磁化反転を生じる。磁界
H_X,H_Yは蒸着膜に近接させた縦横の銅リボンに電流を与
えることによって作り出す。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、この素子は反転した磁化が次第にもとの向きに
戻ったりして情報の記憶の安定性がよくないこと、また
磁性膜パターンを微小化していくと検出出力が小さくな
り、情報の読み出しが難しくなってしまう等の難点を有
している。

（問題点を解決するための手段）本発明では、これらの問題点を解決するため超伝導材料
で形成したパターンを導入して、超伝導体リングに生じ
る反磁性電流を活用して記憶情報の安定性を高め、かつ
超伝導体リングの超伝導‐常伝導転移、または超伝導リ
ングに取り付けたジョセフソン接合を利用して記憶情報
の読み出しを容易にした高密度固体磁気記憶素子を提供
する。

本発明は膜面内に一軸性の磁気異方性を有する強磁性体
膜と、該磁性体膜を介して交差するように配置される第
１、第２の２本の超伝導体線を備えた磁気記憶素子にお
いて、第１の超伝導体線に重なり、また第１の超伝導体
線の反対側に磁性体膜パターンと第２の超伝導体線とを
はさむように第３の超伝導体線を配置し、第１、第３の
超伝導体線は第２の超伝導体線と交わる位置で磁性体膜
と第２の超伝導体線とをとり囲む超伝導体のリングを形
成していることを特徴とする磁気記憶素子に関する。ま
たさらにこの素子において、第２の超伝導体膜に沿って
第４の超伝導体線が形成された磁気記憶素子である。

（実施例）第１図にはこの記憶素子に用いるユニットセルの構造の
例を示す。

まず、基板上に超伝導層を形成し、この超伝導層をパタ
ーン化し、X-軸方向に伸びた第３の超伝導体線３とす
る。その上に絶縁層を介して第２の超伝導体線２を配置
する。その上に強磁性体膜パターン６を形成する。その
上に再び絶縁層を介して第１の超伝導体線４を形成す
る。超伝導体線４は磁性体膜パターン６、第２の超伝導
体線２がない領域では第１図に示すように、下の超伝導
体線３と直接コンタクトしているように加工する。こう
すると、磁性体を取り囲んでY-軸方向をリングの面法線
とする超伝導体リング５が形成される。第１図に示した
ユニットセルを記憶素子として使うため、マトリックス
状に配列したのが第２図である。

第２図にＡで示す点線で囲んだ部分が第１図のユニット
セルである。ユニットセルの形状に関する制約はリング
を形成している超伝導膜の膜厚が磁束侵入深さに比べて
大きいことと、超伝導リングの面法線に直交する面の
内、リングの内側壁との交線を周囲とする部分の面積が
現在実用化されている磁性材料を用いると、0.25μｍ^２
程度まで小さくできる。この面積をさらに小さくするた
めには、量子磁束１本を閉じ込める磁界の大きさが10⁵G
aussのオーダになり、これを磁性体パターンで実現する
ためには、４ΠMsが大きい新しい磁性材料が必要にな
る。超伝導体線の幅には直接の制限はないので、幅を0.
3μｍまで細くでき、基本セルの大きさは0.5μｍ×0.5
μｍ程度まで小さくできる。

本発明の素子に使用する材料は導体としては金、アルミ
など、超伝導体としてはPb系、Nb系、またはBa-Y-Cu-O
系のセラミックスなど、絶縁体としてはSiO₂などが使用
できる。また磁性膜には、広い範囲の材料から選んだ適
当なものが使用できる。薄膜作成技術は公知の技術が利
用できる。前記セラミックスはスパッタリングやレーザ
蒸着法を用いることができ、またエッチングは例えば塩
素ガスを用いたドライエッチングが考えられる。

情報の書き込みを説明する。初期状態として、磁性体の
磁化の向きを予め定められた向きに飽和させておく。い
ま、その向きを第３図（ａ）に９で示すY-軸方向に沿っ
て、正の向きとする。

書き込み動作は次のようにする（第３図（ａ），
（ｂ））。X-軸方向の第１、第３の超伝導体線からなる
超伝導体線１およびY-軸方向に走っている第２の超伝導
体線２にパルス電流を与えて、各位置に磁性体パターン
６の中で、超伝導体１と２とが交わる位置に存在してい
る磁性膜パターン６の磁化９の向きを第３図（ａ）に示
すY-軸方向、正の向きからY-軸方向、負の向きに反転さ
せる。ここで、超伝導体線１に電流を与えたとき、通常
はリング５の中には正味の磁界は発生しないが、本発明
では、リングを貫くように超伝導体線２を配置すること
で、リング内の磁性体膜パターン６には超伝導体線４の
電流による磁界のみが有効に働くようにしている。ま
た、磁性膜パターンからでた磁束も超伝導体線３の方へ
行こうとする磁束は超伝導体線２によって遮蔽されてし
まうから、ほとんどは超伝導体線４を取り巻くように通
る。この磁化反転過程で、超伝導体リング１部が超伝導
から常伝導に一時的に転移するようにしておけば、磁化
反転後の磁化状態は超伝導体リング５に新たに誘起され
た反磁性電流によって安定化されている。

なお、この方法を用いたときの１ビットのデータ書き込
み時間は10nsのオーダである。

読み出し方法を述べる。書き込んだ情報の読み出し方法
として、２種類の例を述べる。１つは超伝導体線２の電
流磁界によって磁性体膜パターンの磁化の向きを磁化容
易方向（Y-軸）から傾け、この磁化変位に伴なって超伝
導体リングに誘起される反磁性電流および読み出し時に
超伝導体線１に与えているバイアス電流I_bを用いて該超
伝導体リング部を超伝導状態から常伝導状態に転移さ
せ、電圧を読み取る方法である。いま１つはジョセフソ
ン接合を取り付けて、磁性体膜パターンからの磁束の流
れの向きを検知する方法である。

まず、前者について説明する。読み出し時には第４図に
示すように超伝導リングにX-軸方向、正の向きに直流バ
イアス電流I_bを与えておく。そしてY-軸方向の超伝導体
線２にパルス電流を与えて、磁性膜パターンの面内の磁
化困難方向に磁界Ｈ_Ｘを加えて、磁化９をY-軸方向から
一時傾ける。そうすると、磁化の安定化した向きがY-軸
方向に沿って、正の向きであったか、負の向きであった
かに依存して、超伝導体リングには、それぞれ第４図の
（ａ）または（ｂ）にi_dで示す反磁性電流が誘起され
る。この反磁性電流の向きを検知するため、本発明の素
子の超伝導体リングはそれぞれ臨界電流が違う２種類の
超伝導材料を使って形成している。そして右向きの反磁
性電流と左向きの反磁性電流を弁別する。第４図の例で
は超伝導体線３とそれに比べて、臨界電流が大きい材料
で超伝導体線４で超伝導体リングを形成している。超伝
導体線3,4それぞれの臨界電流をI_3c,I_4cとする。

読み出し動作について説明する。磁化を反転させた状態
（第４図（ｂ））のビットの磁化９をY-軸方向の超伝導
体線２にパルス電流を与えてX-軸方向に向けたときの反
磁性電流I_dの向きと上記のバイアス電流I_bの向きが超伝
導体リングの中で、臨界電流i_dが小さい領域（第４図の
超伝導線３）で互いに同じ向きになるようにしてある。
この状態で、バイアス電流値I_bを定められた範囲の値に
設定して、磁性体の磁化の向きが負のときには1/2・I_b
＋I_dが超伝導層３の臨界電流I_3cを越えて、超伝導層３
は常伝導に転移してしまうようにする。そうすると、３
を流れていたバイアス電流は超伝導線４を流れるように
なり、超伝導層４にはI_bが流れる。このI_bが超伝導体層
４の電流値I_4cに比べて大きくなるようにしてあれば、
そのリングは常伝導になり、超伝導体リングの両端に電
圧が出る。他方、磁化が反転していない状態（第４図
（ａ））では、このバイアス電流値においては超伝導層
３には（1/2・I_b−i_d）しか電流が流れないので、超伝
導‐常伝導転移は起こらない。したがって、超伝導体リ
ングの両端には電圧は出ない。つまり、磁性体膜パター
ン内の磁化の向きを弁別できる。

以上のことを整理してみると、第５図に示すようにな
る。超伝導体層３の臨界電流と４の臨界電流との間に
は、 I_4c＞1/2I_b＋i_d＞I_3c＞1/2I_b−i_d＞０なる関係が成り立っている必要がある。バイアス電流I_b
は２I_3c＞I_b＞I_4c を満たすように設定する。これからすぐに 1/2I_4c＜I_3c＜I_4c が得られる。

ここでバイアス電流I_bを 1/2I_b＝I_3c−δ（０＜δ＜i_d）とすると、バイアス電流値に対する条件 2I_3c＞I_b＞I_4cは満たされ、かつ 1/2I_b＋i_d＞I_3c＞1/2I_b−i_b の条件も満たされることになる。以上の他、 I_4c＞I_3c−δ＋i_d＞I_3c のために I_4c＞I_3c＋i_dの条件が満たされる必要があるが、I_4cを
できるだけ大きくとるとしてI_3cが I_3c＝1/2I_4c＋δ′（δ′＞0;微小量）を満たしていれば十分である。

例えば、バイアス電流I_bをI_b＝17.5×10^-3Ａとする。強
磁性体薄膜の磁化反転による反磁性電流により、超伝導
体リングが超伝導‐常伝導転移をする場合、超伝導リン
グに流れる誘導電流は0.25×10^-3Ａとなり、常伝導状態
のリング部により出力電圧がでる。しかも磁性薄膜の磁
化はＹ超伝導体線の電流を切ると、読み出し前の状態に
戻る。

つぎに出力電圧を見積ってみる。

超伝導体の比抵抗ｐにはｐ＝200〜250μΩcmを採用し、
ユニットセルにおける超伝導体の導体長ｅを４μｍと仮
定する。そうすると、発生する電圧Ｖは10mVのオーダと
なる。これはバブルメモリの場合に比べて１桁大きい。

つぎにジョセフソン接合を用いた読み出し方法について
説明する。

第６図に構成例を示す。また第７図に基本セル構造を示
す。超伝導体線７を第１の超伝導体線４の上に配置す
る。超伝導体リングの上で、第７図（ｂ）に８で示すよ
うに、超伝導体線４との間にジョセフソン接合を形成す
る。ジョセフソン接合には、第８図（ａ），（ｂ）に示
すように磁性体膜パターンの磁化の向きに依存した向き
の磁束10が流れている。この磁束が存在しているとき、
すべての接合が常伝導状態になるように超伝導体線７の
一端と超伝導体線１の一端の間にセンス電流I_sを与えて
おく。このセンス電流に関しては次の条件を満たす必要
がある。ジョセフソン接合を流れる超伝導電流の最大値
I_maxは接合を貫く磁束の量に依存して変化する。その例
を第９図（ａ），（ｂ）に示す。横軸のφはφ＝H_W（２
λ＋ｄ）と書ける。Ｗは接合部で磁束の向きに直交する
断面の幅、２λ＋ｄは磁束侵入深さλと接合部の厚さｄ
から求まる磁束が通過できる有効厚さである。φ０は磁
束量子である。いまの場合、Ｈは磁性体膜パターンに由
来する。第９図のI_sのレベルに超伝導体線７のセンス電
流を固定する。このI_sはφ＝０のときのI_maxに比べて十
分低くし、またφ≠０のときのI_maxに比べて高くなるよ
うにしておく必要がある。なお第８図（ａ），（ｂ）で
11は超伝導体線４の電流の向き、12はこの電流による磁
束を示す。

超伝導体線１の他の一端からもう一種類の読み出し電流
を供給して接合部の正味の磁束量を制御する。もし、第
７図の超伝導体線１と２との交点の磁性体膜パターンの
磁化が下向きのとき、I_rを超伝導体線１の左から右に流
すと、交点のジョセフソン接合部の有効磁束は減少し、
零となる。したがって、接合部は超伝導状態になり、前
述の超伝導体線７の一端と超伝導体線１の一端との間の
抵抗が零の状態になる。他方、磁性体膜パターンの磁化
が上向きのときはいま述べたと同じ向きのI_rに対しては
ジョセフソン接合部の有効磁束は、かえって増加し、結
局接合部は常伝導状態のままである。この差を使って、
磁性体膜パターンの磁化の向きを検知する。

（発明の効果）本発明により、従来問題になっていた磁化反転後の磁化
状態の不安定性、記憶密度の向上に伴う情報の読み出し
の不安定性がともに格段に改善された高性能の高密度記
憶素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本セル構造の例を示す外観図、第２
図は基本セルをマトリックス状に配置して記憶素子の形
にした一例を示す図、第３図（ａ），（ｂ）は基本セル
の詳細構造図、第４図（ａ），（ｂ）は情報読み出しの
例を示す図、第５図は超伝導体線の臨界電流間の関係を
示す図、第６図はもう１つの基本セルをマトリックス状
に配置して記憶素子の形にした例を示す図、第７図
（ａ），（ｂ）は基本セルの詳細構造例を示す図、第８
図は情報読み出しのもう１つの例を示す図、第９図はジ
ョセフソン接合を横切る磁束と接合を流れる臨界電流と
の関係を示す図、第10図は一軸磁気異方性をもつ磁性体
の磁化容易方向に磁界を加えたときの磁化曲線図、第11
図はコアメモリの構成図、第12図はコアの磁化状態図、
第13図は磁性体膜パターンを使ったメモリの基本構成
図。 1;超伝導体線、2:超伝導体線、3,4:超伝導体線、5:超伝
導体リング、6:磁性体膜パターン、7:読み出し用超伝導
体線、8:ジョセフソン接合、9:磁性体膜パターンの中の
磁化、10:磁性体膜パターンの磁化による磁束、11:X-超
伝導体線の電流の向き、12:電流11による磁束、13:リン
グコア、14:X-導体線、15:Y-導体線、16:読み出し線、1
7:コア内の磁化、18:磁性膜パターン、18′：磁化が反
転している磁性膜パターン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜面内に一軸性の磁気異方性を有する強磁
性体膜と、該磁性体膜を介して互いに交差するように配
置される第１、第２の超伝導体線を備えた磁気記憶素子
において、磁性体膜に対応する位置では第１の超伝導体
線の反対側に磁性体膜パターンと第２の超伝導体線とを
はさむように、しかも他の位置では第１の超伝導体線に
重なるように第３の超伝導体線を配置し、第１、第３の
超伝導体線が第２の超伝導体線と交差する位置では、第
１の超伝導体線と第３の超伝導体線とが磁性体膜と第２
の超伝導体線とをとり囲む超伝導体のリングを形成して
いることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】膜面内に一軸性の磁気異方性を有する強磁
性体膜と、該磁性体膜を介して互いに交差するように配
置される第１、第２の超伝導体線を備えた磁気記憶素子
において、磁性体膜に対応する位置では第１の超伝導体
線の反対側に磁性体膜パターンと第２の超伝導体線とを
はさむように、しかも他の位置では第１の超伝導体線に
重なるように第３の超伝導体線を配置し、第１、第３の
超伝導体線が第２の超伝導体線と交差する位置では、第
１の超伝導体線と第３の超伝導体線とが磁性体膜と第２
の超伝導体線とをとり囲む超伝導体のリングを形成し、
また第２の超伝導体線に沿って配置され、磁性体膜に対
応する位置で第１または第３の超伝導体線とジョセフソ
ン接合を形成する第４の超伝導体線を備えたことを特徴
とする磁気記憶素子。